3D TV
Op 29 mei heeft de heer Dr. Ir. Wilbert IJzerman van Philips Research Laboratories op de N.V.v.S. verenigingsdag te Soest een presentatie verzorgd met als onderwerp 3D-TV. Philips is koploper op het gebied van het onderzoek naar autostereoscopische (= geen speciale bril nodig) beeldschermen.
On May 29th doctor Wilbert Ijzerman from Philips Research Laboratories demonstrated a prototype of 3D television at the NVvS day in Soest. He also demonstrated realtime 2D-3D conversion of movie from a DVD. Maybe we will get another look into this development in the future!
Philips heeft de laatste jaren flinke vorderingen gemaakt met het productierijp maken van autostereoscopische beeldschermen van PC en TV en voorziet vele toepassingen voor professioneel (medisch) gebruik en consumenten electronica (computerspelletjes).
3D-TV technologie voor allerlei toepassingen.
Philips heeft goed gekeken naar het principe van de lenticulaire kaarten die vroeger in de winkels te vinden waren. Op de pagina 3D-projectie was reeds te lezen hoe deze techniek werkt. Des te meer "lenzen" worden gebruikt bij het maken van de stereo-opname, des te rustiger (beter) wordt het beeld. Dat wil zeggen, je kunt er vanuit meerdere hoeken goed naar kijken. Philips gaat van het zelfde principe uit. Afhankelijk van de toepassing en de gewenste kwaliteit wordt het mogelijk om vanuit meerdere hoeken te kijken. Momenteel heeft men een reeks producten in gedachten met een "4-view" tot "9-view" capaciteit.
Daarnaast heeft Philips een eigen vinding toegevoegd, namelijk de "slanted lenticular resolution". In tegenstelling tot het gewoonlijk zuiver verticaal gepositioneerde raster heeft Philips dit raster schuin over de pixels van het beeldscherm gelegd. Hierdoor wordt het moire-effect verminderd en een meer optimaal gebruik gemaakt van de schermresolutie.
Demonstratie 3D-TV te Soest 29 mei 2004. Demonstratie van het lenticulaire PC scherm en de bijbehorende software waarmee "real time" 2D films van DVD kunnen worden omgezet naar 3D. Met name de demonstratie van echte driedimensionale videospellen belooft veel voor de toekomst. Zou men bij Philips soms in het diepste geheim aan een "P-Box" werken?
Voor de liefhebbers van meer gedetailleerde informatie volgt nu het artikel van Johan Steketee.
"Philips introduceert 3-D LCD Beeldschermen"
Op het programma van de 126e verenigingsdag staat onder meer een demonstratie van een 3D-LCD scherm door een medewerker van het Philips Natuurkundig Laboratorium. Gert Jan Wolkers en Roel van der List maakten mij attent op een website met uitvoerige informatie over dit onderwerp.
De opbouw van het scherm.
In fig. 1 is dit (niet op schaal) weergegeven, waarbij ter vereenvoudiging is aangenomen dat de beeldstrookjes in het brandvlak van de cilinderlensjes (lenticulairen) staan (Zie Appendix 1). Een waarnemer op enige afstand neemt dan met het rechteroog het punt R waar en met het linkeroog het punt L.
Bij het zijdelings verschuiven van de ogen neemt men de punten R’ en L’ van de fotostrookjes waar terwijl het stereobeeld behouden blijft. Schuift men echter verder, dan zal het rechteroog een punt waarnemen van een aangrenzende linkerbeeldstrook (en het linkeroog een punt van een rechterbeeldstrook) : Men neemt inverse stereo waar ( nog vaak abusievelijk pseudostereo genoemd). Dit herhaalt zich enkele malen en is één van de onvolkomenheden van het lenticulaire 3D-systeem.
Philips heeft speciale lenticulaire roosters ontwikkeld, die op een LCD beeldscherm worden bevestigd en volgens hetzelfde principe als in fig. 1 zou men nu een stereobeeld kunnen ontwerpen. Hierbij doen zich echter een aantal problemen voor. Een daarvan is dat de foto in fig. 1 bestaat uit een continue (horizontale) rij van beeldpunten, ook al is hij opgebouwd uit strookjes van linker- en rechterbeelden. Een LCD scherm bestaat echter uit discontinue pixels, gescheiden door gaten, al zijn ze nog zo klein. Deze gaten worden ook nog eens vergroot weergegeven door de als loep werkende lenticulairen en bij het horizontaal bewegen van de ogen zou men dus voortdurend donkere lijnen zien passeren.
Figuur 1.
Om dit op te lossen heeft Philips een truc bedacht: De lenticulairen worden niet verticaal over het LCD scherm gepositioneerd, maar onder een hoek van 9,46 graden. De tangens van deze hoek (de helling) is 1/6 en als men nu weet dat een pixel-element – meestal subpixel genoemd, zie appendix punt 3 - 3 keer zo hoog is als breed (255x85 μm), dan betekent dit het volgende.
De stippellijn A in fig. 2 gaat (vrijwel) diagonaalsgewijs door een groene subpixel 3 en daarna eveneens (vrijwel) diagonaalsgewijs door een blauwe subpixel 3 en een rode subpixel 3. Kijkt men dus van bovenaf naar de lenticulairen in de kijkrichting A, dan worden alle subpixels 3 op het netvlies afgebeeld. Schuift men met het oog naar de kijkrichting C dan zullen de subpixels 3 langzaam “uitfaden” en tegelijkertijd subpixels 4 “infaden. Het resultaat is dus een continue overgang van kijkrichting 3 naar 4, zonder storende zwarte balken, vergelijkbaar met onze lenticulaire foto.
Nu rest alleen nog de beeldinformatie op de juiste wijze te verdelen over de (sub)pixels. Daarbij wordt dankbaar gebruik gemaakt van de 7 “views” of kijkrichtingen, die dit systeem biedt. Terwijl we bij onze stereodia’s slechts 2 opnamen maken, een rechter- en een linkerbeeld, maakt men nu 7 opnamen, waarbij voor iedere opname de camera over een bepaalde vaste afstand (b.v. naar links) wordt verschoven. (Je kunt natuurlijk ook Ko van Eekeren vragen om 7 digitale camera’s naast elkaar te monteren !) De beeldinhoud van de 7 foto’s wordt nu als volgt over de 7 kijkrichtingen verdeeld: De digitale informatie van de 1e verticale lijn in foto 1 (fig. 3) wordt aan de subpixels met nr.1 van het LCD scherm (fig. 2) toegevoerd, waarbij de kleurinformatie nu langs de schuine lijn onder elkaar wordt geplaatst. ( Vroeger naast elkaar)
Figuur 2.
Figuur 3. Door verschuiving naar links worden 7 foto’s gemaakt van hetzelfde onderwerp.
De digitale informatie van de 1e verticale lijn in foto 2 voert men toe aan de subpixels met nr. 2 enz. tot en met foto 7. Daarna begint men opnieuw met de 1e foto, maar nu wordt een tweede verticale lijn uit de foto’s “verdeeld” over de 7 kijkrichtingen van een volgend (niet getekend) paar lenticulairen, gelegen rechts naast het paar dat in fig. 2 wel is getekend.
Nemen we nu op de optimale afstand – ca 75 cm, zie appendix 7- plaats voor het lenticulaire scherm en wel zodanig dat we met het linkeroog kijkrichting 5 zien en met het rechteroog 3 (fig. 4), dan nemen we een prachtig stereobeeld waar. Schuiven we naar links zodat kijkrichting 6 in het linkeroog en kijkrichting 4 in het rechteroog valt, dan zien we eveneens een stereobeeld, maar dit stereobeeld is afkomstig van een ander standpunt bij de gemaakte foto’s , dat iets meer naar links was gelegen. Hetzelfde geldt voor een verschuiving naar rechts, zodat we bij deze verschuivingen als het ware om het gefotografeerde object heen wandelen. Het (vooral voor nieuwelingen in stereoland die een van onze diapresentaties meemaken) vreemde effect dat bij zijdelings verschuiven het stereobeeld meeschuift, treedt hier dus niet op.
Figuur 4.
Een oplettende lezer zal zich misschien afgevraagd hebben wat er gebeurt als we, kijkend naar het scherm, zover naar links schuiven dat het rechteroog zich in kijkrichting 6 bevindt. Omdat de lenticulairen geen zijdelingse “tussenschotjes” bezitten, kan men bij verdere schuine kijkrichtingen als het ware onder de bolle bovenkanten van de lenticulairen door kijken en daarbij weer naastgelegen subpixels 1,2,3 enz waarnemen. De kijkrichtingen herhalen zich dus. Naast kijkrichting 7 in fig. 4 komt dus weer een kijkrichting 1, gevolgd door 2 enz. Bij een kijkrichting 6 in het rechteroog hoort nu een kijkrichting 1 in het linkeroog. Een vreemde gewaarwording want behalve een invers stereobeeld ( foto 1 is gemaakt rechts van foto 6) is ook het standpunt niet in overeenstemming met de volgorde van standpunten. Dit herhaalt zich nog een keer wanneer het rechteroog kijkrichting 7 volgt, maar bij nog verder schuiven , zien we weer perfecte stereobeelden.
Rest nog te vermelden dat Philips inmiddels al 9 kijkrichtingen heeft gerealiseerd.
Johan Steketee
Appendix
In de praktijk stonden de beeldstrookjes bij mijn ribbeltjesfoto niet in het brandvlak maar op een afstand van ongeveer de helft van de brandpuntsafstand f. Het beeld dat in dat geval door de cilinderlensjes gevormd wordt, is een 2x vergroot virtueel beeld op afstand f, te vergelijken met het bekijken van een voorwerp door een loep. Om deze situatie te tekenen is tamelijk ingewikkeld en zou de duidelijkheid zeker niet bevorderen, terwijl het principe van de stereowaarneming hetzelfde is als in fig. 1.Door de kleurinformatie RGB onder elkaar te plaatsen in plaats van naast elkaar, neemt de resolutie in verticale richting wel af met een factor 3. Ook de horizontale (stereo)resolutie is echter afgenomen omdat steeds 7 (schuine) kolommen met subpixels nodig zijn om één voorwerpspunt ruimtelijk vanuit 7 standpunten weer te geven. Een LCD scherm met resolutie 1024x768 zal nu een 3D resolutie krijgen van 438 x 256. Immers, een horizontale resolutie van 1024 betekent dat er 1024 pixels (tripletten R,G en B) , dus in totaal 3 x 1024 subpixels geteld kunnen worden. Dit gedeeld door 7 levert 438 op en de verticale resolutie, die oorspronkelijk 768 was, wordt nu door 3 gedeeld.
In de LCD techniek wordt een (horizontaal) triplet RGB een pixel genoemd, waarbij men de afzonderlijke elementen ervan aanduidt met subpixels. Een pixel is dus in ons geval vierkant, 255 x 255 μm. In fig. 2 is af te lezen dat de breedte van de lenticulairen in horizontale richting 3,5 x (sub)pixelbreedte bedraagt, dus 3,5 x 85 μm . Om de werkelijke breedte te berekenen moet men deze waarde nog vermenigvuldigen met cos 9,46 vanwege de hellingshoek en dat levert 293,5 μm, dus bijna 0,3 mm. In de (sub)pixelbreedte wordt ook het (zeer kleine) gat tussen 2 elementen meegeteld.
In de website wordt de volgende toelichting gegeven bij fig. 4: “…de figuur laat zien hoe iedere lenticulair werkt als een kleine projectielens en de indivudele pixels, die erachter zitten, afbeeldt in de ruimte voor de waarnemer…”. Wie, zoals ik, grote moeite heeft met het begrijpen van deze toelichting is misschien gebaat bij de beschrijving van het volgende proefje dat ik heb gedaan. Neem een klein loepje met brandpuntsafstand 25 mm en bekijk daarmee op een wat grotere afstand ( ca 30 cm, dus niet zoals gebruikelijk vlak voor het oog) een rode en een zwarte letter met een breedte van ongeveer 2 mm, die in het brandvlak van de loep staan. De vergroting van een loep is 250/f, dus hier 10 x. Het beeld is dus 20 mm breed en daarmee veel groter dan de diameter van het loepje ( 12 mm).
Als we kijken naar –scherpstellen op- het lensoppervlak zien we dus het lensje helemaal “gevuld met zwart” en bij zijdelings verschuiven gaat dit over via wit naar rood, als de rode letter in de kijkrichting valt. Hetzelfde gebeurt bij het lenticulaire systeem in fig.2. De pixels staan in het brandvlak van de lenticulairen ( in afwijking van de ribbeltjesfoto’s volgens punt 1). De brandpuntsafstand daarvan is 0,99 mm, dus de vergroting meer dan 250 x. Subpixels worden dus in horizotale richting verbreed tot 250 x 85 μm = 21 mm. Wat we daarvan zien wordt uiteraard beperkt door de breedte van een lenticulair ( 0,3 mm volgens punt 4) . Een cilinderlens vergroot of verkleint niet in de lengterichting, dus de hoogte van de waargenomen (sub)pixels blijft 255 μm. In fig. 5 is weergegeven wat men ziet als men vanuit kijkrichting 4 ( in fig. 2 aangegeven door de lijnen C) naar het lenticulaire oppervlak kijkt en daarop scherp stelt (accomodeert). De ellipsen geven aan hoe RGB tripletten gevormd kunnen worden waarbij de verticale resolutie van het scherm 1/3 is van de oorspronkelijke, zoals reeds onder punt 2 is vermeld.
Figuur 5. Wat een waarnemer ziet wanneer hij in de kijkrichting 4 naar het scherm kijkt (sterk vergroot).
Tevens is duidelijk zichtbaar dat ook de zeer kleine ruimten tussen de subpixels door de enorme vergroting over de volle breedte van de lenticulairen zwart worden weergegeven. Dit is geheel in overeenstemming met fig. 2, waar de lijn C in de eerste lenticulair bovenaan begint tussen pixel 3 en 5. Zo kan men zelf voorspellen welke kleur het zwarte vlak bovenin de eerste lenticulair in fig. 5 krijgt als men vanuit kijkrichting 4 verschuift naar kijkrichting 3 (lijn A in fig. 2).
Ook de optimale kijkafstand tot het lenticulaire scherm is nu te berekenen. In fig. 6 zijn schematisch de kijkrichtingen 5 en 3 getekend: 5 valt in het linkeroog en 3 in het rechteroog. De afstand tussen de subpixels 5 en 3 is 85 μm en de oogpupilafstand 65 mm. De “vergroting” is dus 65/0,085 = 764. Aangezien de brandpuntsafstand 0,99 mm bedraagt, is de optimale kijkafstand D dus 764 x 0,99 , afgerond 75 cm. In de praktijk blijkt dat tussen 0,3 m en 1,5 m nog goede 3D beelden zijn waar te nemen.
Figuur 6.
(C) 2006 - All rights reserved